DE102007001195A1

DE102007001195A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Riementriebes an einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102007001195A1
Application number: DE200710001195
Authority: DE
Inventors: Manfred Weigl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-01-05
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2008-07-10
Also published as: WO2008080866A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Riementriebes an einer Verbrennungskraftmaschine. Um ein preiswertes sowie zuverlässig arbeitendes Verfahren zur Überwachung eines Riementriebes an einer Verbrennungskraftmaschine und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass eine selektive Frequenzanalyse des Betriebsgeräusches oder Schalls bzw. Körperschalls nahe eines Zahnriemens (2) durchgeführt und im Vergleich zu einem normalen Spektrum ausgewertet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Riementriebes an einer Verbrennungskraftmaschine.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass zum Antrieb einer Nockenwelle in Otto- und Diesel-Verbrennungskraftmaschinen von Personenkraftwagen überwiegend Zahnriemen eingesetzt werden. Jeder Ausfall des Zahnriemens würde ein Liegenbleiben des Fahrzeugs verursachen. Bei Verbrennungskraftmaschinen, in welchen aufgrund der Brennraumgeometrie ein offenes Ventil mit einem Kolben am oberen Totpunkt kollidieren kann, führt ein Ausfall des Zahnriemens zu einem Motorschaden mit hohen Reparaturkosten. Um diese Probleme zu vermeiden, wird nach dem Stand der Technik ein Wechselintervall für Zahnriemen vorgeschrieben. Hierdurch wird sichergestellt, dass selbst bei außergewöhnlichem Verschleiß einem Ausfall eines Riemens vorgebeugt wird.
Es sind auch Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei denen die Position einer Riemenspannrolle angezeigt wird und als Indiz für Riemenlängung dient. Damit wird jedoch nicht das Hauptproblem erfasst, nämlich überspringender Zahnriemen wegen Zahnverschleiß oder -Ausbruch oder Fremdkörper. Zudem ist üblicherweise die Spannrolle im Betrieb arretiert, d. h. nur bei einer Neueinstellung im Stillstand kann eine unzulässig große Zahnriemenlängung erkannt werden.
Zudem können auch defekte Spannrollen zu einem Ausfall des Zahnriemens führen. Das wird jedoch nach dem Stand der Technik nicht überwacht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein preiswertes sowie zuverlässig arbeitendes Verfahren zur Überwachung eines Riementriebes an einer Verbrennungskraftmaschine und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Verfahren zur Überwachung eines Riementriebes an einer Verbrennungskraftmaschine dadurch aus, dass eine selektive Frequenzanalyse des Schalls bzw. Körperschalls nahe eines Zahnriemens durchgeführt wird.
Eine Grundlage für eine bevorzugte Anwendung bildet die Erkenntnis, dass durch Überwachung des Riementriebs verhindert werden kann, dass ein vorzeitiger Verschleiß oder Defekt zu Folgeschäden führt. Es müssen Veränderungen des Zahnprofils, wie z. B. ab- oder eingerissene Zähne, Veränderungen der Zahnabstände und Lagerschäden der Spannrolle erkannt werden. Dazu wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren ein Schwingungsspektrum der Spannrollenhalterung aufgenommen und vom Motorsteuergerät ausgewertet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient hierzu ein Piezosensor, der insbesondere direkt an oder auf einer Spannrollenhalterung angeordnet ist. Durch die Position des Sensors direkt an der Spannrollenhalterung wird erreicht, dass Geräusche des Riementriebs optimal erfasst werden können und gegenüber den übrigen Motorgeräuschen ausreichend hohe Amplituden bzw. einen für eine sichere Auswertung ausreichenden Störabstand aufweisen.
Für ein günstiges Verhältnis der Signalpegel ist es vorteilhaft, wenn die Arretierung der Spannrolle nicht, wie weitgehend üblich, mittels einer Klemmschraube in der Rollennabe, sondern an einem Träger erfolgt. Der Träger ist vorzugsweise als ein federbelasteter Hebel für eine schnelle Einstellung der Vorspannung ausgebildet. Durch die Arretierung an dem Hebel bzw. Träger ist die Spannrolle nicht so starr an den Motor gekoppelt, so dass höhere Amplituden aufgrund der Schwingungen im Zahnriemen oder der Lagergeräusche der Spannrolle erreicht werden können. Hierdurch wird auch das Sensorsignal verbessert.
Eine digitale Signalverarbeitung, welche mit den leistungsfähigen μ- bzw. Mikro-Controllern in Motorsteuergeräten derzeit bereits möglich ist, erlaubt eine drehzahlabhängige Filtercharakteristik von Bandfiltern in mehreren Frequenzbereichen. Hierdurch werden sowohl die Grundfrequenzen des Riementriebs als auch dominante Frequenzen des Motorgeräusches diskriminiert. Damit wird eine sichere Detektion aller kritischen Veränderungen des Schwingungsspektrums ermöglicht.
Zur Erhöhung der Detektionssicherheit wird in einer Ausführungsform der Erfindung neben der Selektivität im Frequenzbereich auch eine Einbeziehung weiterer Zustandsgrößen der Verbrennungskraftmaschine und insbesondere die Auswahl des günstigsten Kurbelwellenwinkelbereichs genutzt werden. Kriterien hierfür sind:

• hoher Drehmomentbedarf der Nockenwelle(n) und Hochdruckpumpe (beim Diesel);
• Winkelbereiche, an denen keine Zylinderdruckspitzen auftreten;
• kein Kolbenkipp- und Ventilschließ-Geräusch in einem Messfenster.

Bei ordnungsgemäßem Riemenprofil ergibt sich ein drehzahlabhängiges Frequenzspektrum mit einem ausgeprägten Maximum bei der Zahnfrequenz. Defekte Zähne werden erkannt, da diese Unregelmäßigkeiten periodisch mit der Umlaufzeit t_um des Zahnriemens auftreten. Für einen Zahnriemen mit der Zähnezahl n_z und einem Antriebsrad an der Kurbelwelle mit n_Kw Zähnen gilt für eine Motordrehzahl RPM: tum = (nz/nKw)/RPM
Bei intaktem Zahnriemen trägt die Frequenz f = 1/t_um nicht wesentlich zu einem Gesamtgeräusch bei bzw. sie ist in einem Geräuschspektrum nicht dominant vertreten.
Ein Lagerschaden der Spannrolle verursacht ein breites zusätzliches Frequenzspektrum mit relativ hoher Amplitude, das sich deutlich von einem Frequenzspektrum eines normalen Betriebes unterscheidet.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein erfindungsgemäßes Verfahren auch dazu genutzt, um Lagerschäden an Nockenwellen zu delektieren. Da es sich bei Nockenwellenlagern aber üblicherweise um Gleitlager handelt, muss die Detektion für die typischen "Klick-Geräusche" optimiert werden, welche sich akustisch kaum von großem Ventilspiel unterscheiden lassen. Die Korrelation mit dem Kurbelwellenwinkel ermöglicht die sichere Detektion, erfordert allerdings winkelsynchrone Signalerfassung und Rechenaufwand. Die Anordnung des Sensors an der Spannrollenhalterung ist auch für diese Anwendung optimal, da Lagerverschleiß bei Gleitlagern sich zuerst in zu großem Spiel äußert, und dieses Spiel über den Zahnriemen direkt auf die Spannrolle wirkt.
Wenn die Wasserpumpe des Kühlkreislaufs vom Steuerriemen mit angetrieben wird, kann ein Blockieren der Wasserpumpe ebenfalls zum Ausfall des Riementriebs führen. Wenn sich das Blockieren durch rauen Lauf oder Lagergeräusche ankündigt, kann dieser Fehler rechzeitig erkannt werden und so ein teuerer Motorschaden verhindert werden.
Moderne Verbrennungskraftmaschinen werden trotz komplexer Mechanik in Personenkraftfahrzeugen raumminimiert verbaut, so dass ein Zahnriemenwechsel relativ zeitaufwendig und somit teuer ist. Zudem besteht ein erhebliches Risiko von Folgeproblemen wegen Fehlern bei Einbau und Einstellung. Da der Zahnriemen und die Spannrolle in den meisten Fällen keinen wesentlichen Verschleiß zeigen, ist es von großem Vorteil, wenn ein Wechsel nur bei zu erwartendem Funktionsausfall erfolgt. Damit wird erreicht, dass der Zahnriemen nur noch selten, und nicht mehr vorbeugend gewechselt werden muss. Trotzdem wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Betriebssicherheit insgesamt erhöht, da mit der beschriebenen Lösung auch frühzeitige Ausfälle noch vor einer Inspektion erkannt und/oder innerhalb eines Wechselintervalls frühzeitig entsprechende Gegenmaßnahmen zur Vermeidung von Folgeschäden ergriffen werden können. Weiter können durch die Überwachung des Schwingungsspektrums an der Spannrolle während des Motorbetriebs unterschiedliche Fehlerquellen rechtzeitig in einem bereits vorhandenen Motorsteuergerät erkannt und Motorschäden verhindert werden.
Die Signalauswertung in einem Motorsteuergerät ist preiswert. Sie ermöglicht zudem, die Auswertefenster bezüglich des Kurbeiwellenwinkels, der Drehzahl, Last, Temperatur und weiteren Parametern optimal zu definieren und Geräusche, verursacht durch die Mechanik in Form z. B. durch Ventilbewegung, Kolbenkippen, Antrieb von Hochdruckpumpen etc., dem Gaswechsel und dem Verbrennungsvorgang optimal zu diskriminieren, da die dazu nötigen Daten im Steuergerät vorliegen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt damit in modernen Fahrzeugen bereits vorhandene Baugruppen bei geringem Mehraufwand. Dabei bewirkt eine erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstig zugleich ein hohes Maß an zusätzlicher Betriebssicherheit und Langzeitzuverlässigkeit bei gesenktem Wartungsaufwand.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Abbildung der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigt die Figur in schematisierter Form ein verein fachtes Blockdiagramm einer Vorrichtung 1 zur Überwachung des Zustandes eines Riementriebes mit einem Zahnriemen 2, der an einer nicht weiter dargestellten Verbrennungskraftmaschine ein Antriebsrad 3 der Kurbelwelle mit einem Rad 4 der Nockenwelle bei einer Untersetzung von 2:1 bei formschlüssiger Kraftübertragung koppelt. Diese Skizze zeigt damit eine sehr typische Anwendung für Gummizahnriemen als Alternative zu einer vergleichsweise teureren Steuerkette für den Antrieb der Nockenwelle von der Kurbelwelle in Viertaktmotoren, wie sie vor allem in Kraftfahrzeugen Verwendung finden. Da die Nockenwelle die Ventile steuert, ist es notwendig, dass sie genau die halbe Drehzahl der Kurbelwelle aufweist, wobei sich die Phase nicht durch Schlupf verschieben darf. Ein gerissener oder versetzt montierter Zahnriemen 2 führt bei den meisten Motoren zu starken Beschädigungen bis hin zum Totalschaden, da in diesem Fall Ventile und Kolben miteinander kollidieren. Wesentliche Nachteile gegenüber Ketten bestehen bei Zahnriemen in einer schlechteren Temperaturbeständigkeit und oft geringeren Lebensdauer. Dennoch ist der Zahnriemen seit den 1970er Jahren das in Verbrennungskraftmaschinen meist verbaute Antriebselement.
Die Darstellung der Figur zeigt eine übliche Bauform, in der eine Riemenspannrolle 5 zum Einrichten einer vorbestimmten Spannung in dem Zahnriemen 2 vorgesehen ist. Dazu ist die Riemenspannrolle 5 an einem freien Ende eines federbelasteten Arms 6 angeordnet. Der Arm 6 ist als federbelasteter Hebel zur schnellen Einstellung der Vorspannung des Zahnriemens 2 ausgebildet, und ist im Betrieb durch eine Arretierungsschraube 7 festgelegt.
Zur jederzeitigen Überwachung eines Zustandes des Zahnriemen 2 wird nun ein Spektrum eines Betriebsgeräusches untersucht, indem möglichst nahe des Zahnriemens ein Akustikwandler 8 angeordnet wird. Das ist in der Figur in Form eines auf einer Spannrollenhalterung, die als federbelasteter Arm 6 ausgeführt ist, nahe der Riemenspannrolle 5 fixierten Piezowand lers 9 umgesetzt. Das Schwingungsspektrum der durch den Zahnriemen 2 angeregten Riemenspannrolle 5 wird nun aufgenommen und in einem Mikroprozessor in einem Motorsteuergerät 10 ausgewertet, um in einem drohenden Fehlerfall ggf. auch über eine Anzeige 11 einem Fahrer optisch und/oder akustisch angezeigt zu werden.
Die Verlagerung der eigentlichen Signalverarbeitung in das Motorsteuergerät 10 erlaubt eine drehzahlabhängige Einstellung der Filtercharakteristik von Bandfiltern in mehreren Frequenzbereichen. Hierdurch werden sowohl die Grundfrequenzen des Riementriebs, als auch dominante Frequenzen des drehzahlabhängigen Motorgeräusches ausreichend bedämpft oder gar ausgeblendet. Ein aktuell geforderter Drehmomentbedarf liegt dem Motorsteuergerät 10 mit der Drehzahl und mit weiteren, durch die Pfeile angedeuteten Eingangsgrößen vor, so dass ohne weiteren Aufwand durch Auswertung eines drehzahlabhängigen Frequenzspektrums eine Abweichung von einem ordnungsgemäßen Riemenprofil erkannt werden kann, aber auch ein Lagerschaden der Spannrolle 5.

1: Vorrichtung
2: Zahnriemen
3: Antriebsrad der Kurbelwelle
4: Rad der Nockenwelle
5: Riemenspannrolle
6: federbelasteter Arm
7: Arretierungsschraube
8: Akustikwandler
9: Piezowandler
10: Motorsteuergerät
11: Anzeige

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Riementriebes an einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine selektive Frequenzanalyse des Betriebsgeräusches oder Schalls bzw. Körperschalls nahe eines Zahnriemens (2) durchgeführt und im Vergleich zu einem normalen Spektrum ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gkennzeichnet, dass die Frequenzanalyse drehzahlabhängig und/oder unter Einbeziehung weiterer Zustandsgrößen der Verbrennungskraftmaschine in einem Motorsteuergerät (10) durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Überwachung eines Riementriebes an einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ausgebildet ist, dass ein Akustikwandler (8) möglichst nahe des Zahnriemens angeordnet ist, der mit einer Auswerteeinheit (10) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gkennzeichnet, dass der Akustikwandler (8) an oder auf einem federbelasteten Arm (6) nahe einer Riemenspannrolle (5) fixiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akustikwandler (8) als Piezowandler (9) ausgebildet ist, der auf einen zu untersuchenden Frequenzbereich abgestimmt ist